En la industria manufacturera, el producto suele moldearse y ensamblarse con herramientas de acero. Esas herramientas van desde las familiares y no especializadas, como taladros y destornilladores, hasta equipos más especializados, como matrices para fundir metal fundido o para formar piezas como los paneles de los automóviles (en ingeniería, formar significa forjar o estampar). Hay muchos tipos de acero para herramientas. El acero para herramientas para cortar metal normalmente se elige de una familia llamada aceros rápidos (HSS), que llevan ese nombre porque permanecen duros y resistentes al desgaste hasta 600 grados Celsius (C). El HSS puede cortar metales a altas velocidades en comparación con herramientas de acero más común, que comenzarían a ablandarse por encima de los 200 grados C, aproximadamente. Existe una distinción similar entre los tipos de aceros que se utilizan para fundir o formar metales. En esas operaciones, los ingenieros hablan de acero para herramientas para trabajo en caliente y acero para herramientas para trabajo en frío. El acero para herramientas para trabajo en caliente se usa para troqueles que mantienen metales fundidos como el aluminio y el zinc en su lugar hasta que el líquido se solidifica, o para formar metal por encima de 200 grados C (aprox.), mientras que el acero para herramientas para trabajo en frío se usa para formar metal por debajo de la misma. temperatura.
Introducción
En la industria manufacturera, los términos "herramientas" y "acero para herramientas" tienen un significado técnico especial. Se utilizan para describir una parte de la maquinaria de fabricación que entra en contacto con el producto y el acero del que está hecha esta parte, si está hecha de acero (como suele ser).
Las herramientas, así definidas, pueden utilizarse con fines de corte, fundición o conformación.
Corte es la acción realizada por un taladro o la herramienta de punta única en un torno. También es la acción que realiza el utillaje multipunto de una fresadora o de una hoja de sierra.
Casting es la acción de mantener el metal fundido, o cualquier otro material fundido, en su lugar hasta que se solidifique.
Formado es la acción de forjar, doblar o estampar una pieza de trabajo sólida, de modo que su forma cambie sin pérdida de material.
A veces estas acciones se combinan, por ejemplo, cuando una prensa corta un círculo en una lámina de metal y al mismo tiempo le da forma a la base de una cacerola.
En este uso técnico, la máquina que sostiene la herramienta y los materiales de los que está hecha la máquina que sostiene la herramienta generalmente se mencionan por separado de la herramienta misma.
La historia de los aceros para herramientas
Los primeros aceros para herramientas fueron probablemente los utilizados para fabricar instrumentos tradicionales como martillos, yunques, cuchillos y hachas. Al principio, apenas se distinguían del hierro ordinario fabricado con las técnicas más primitivas.
Pero con el paso del tiempo, los herreros tradicionales aprendieron a alterar las propiedades del hierro para hacerlo más duro para algunos usos y más resistente para otros. Estas formas modificadas de hierro se convirtieron en las primeras formas verdaderas de acero.
En los primeros días de la fabricación de acero, hace más de tres mil años, los herreros descubrieron que calentando hierro de una determinada composición y luego sumergiéndolo en aceite o agua, se podía endurecer más que si simplemente se dejaba enfriar de forma natural. Por "cierta composición" me refiero al hierro que contenía aproximadamente un uno por ciento en peso, aproximadamente, de carbono disuelto cuando estaba en estado caliente. Un enfriamiento repentino evitaría que el carbono saliera de la solución para formar partículas comparativamente grandes de carburo de hierro en una matriz de hierro relativamente puro y blando. En cambio, el proceso de enfriamiento bloqueó los átomos de carbono en su lugar en lo que ahora era una matriz tensa de hierro y carbono llamada martensita, que es más difícil de deformar.
Por supuesto, toda esta química no se conocía en ese momento. En cambio, los herreros de antaño trabajaban según varias reglas generales. En el idioma inglés, esto da origen a la expresión “black art”. El trabajo de los herreros era más un arte que una ciencia, era sucio y negro en términos físicos, y además nadie sabía realmente lo que estaban haciendo los herreros. ¿Estaban aliados con demonios del igualmente ardiente pozo del infierno? Por todo ello, el trabajo del herrero era conocido como el 'arte negro', término que hoy se aplica a cualquier otro proceso igualmente misterioso.
Imagen de dominio público de un herrero tradicional (1606 d.C.) vía Wikimedia Commons
Con el tiempo, el arte de los herreros se volvió más elaborado y hábil, aunque seguía siendo un arte. Se colocarían piezas del acero más duro donde estaría el borde de una hoja y se combinarían con piezas de acero más blando pero más resistente para formar la mayor parte de la hoja. Otro método de preparación inicial implicó la precipitación de dendritas de carburo en un solo bloque de acero. Sin embargo, como surgió inicialmente, el compuesto luego se golpeaba, calentaba y doblaba muchas veces para eliminar impurezas y burbujas de gas potencialmente frágiles, y para formar hojas con cuerpos resistentes y bordes duros. Estas técnicas, que por su nombre incluían a los japoneses mokume-gane método y el Medio Oriente Damasco método, produjo acero con patrones arremolinados que revelaron la estructura subyacente, especialmente cuando se grabó. Aun así, había poca comprensión científica de lo que realmente estaba pasando, a diferencia de una comprensión más intuitiva y artística.
Una espada japonesa fabricada con la técnica mokume-gane sobre un fondo de cota de malla. Fotografía de 'Dafannin', 12 de mayo de 1986. CC BY-SA 4.0 vía Wikimedia Commons.
Las cosas se volvieron más científicas a finales del siglo XVIII y principios del XIX. El surgimiento de la química moderna dejó claro que el acero de la época era una aleación, de hecho un compuesto, de hierro y otros elementos; que el principal aditivo era el carbono; y que el carbono adoptaba diferentes formas en el acero blando, el acero duro y el hierro fundido (donde la concentración de carbono era de alrededor del cuatro por ciento en peso).
Al aumentar de forma controlada la proporción de carbono en el acero, fue posible producir aceros extraduros, aunque algo quebradizos, que servían para cortar otras formas de acero. Así nacieron los primeros aceros para herramientas de tipo moderno.
Estos primeros aceros para herramientas combinaban una matriz mayoritariamente de martensita (endurecida por enfriamiento) con inclusiones adicionales de carburo de hierro.
Sin embargo, tenían el inconveniente de tender a ablandarse por encima de los 200 grados centígrados, lo que limitaba el ritmo al que podían utilizarse para cortar otros aceros.
En 1868, el ingeniero escocés Robert Mushet, hijo de uno de los primeros maestros del hierro en reconocer la importancia del carbono, ideó una forma de acero que permanecía dura a temperaturas más altas.
Conocida como acero Mushet, la nueva aleación contenía no sólo las cantidades habituales de carbono sino también cantidades aún mayores de manganeso y tungsteno. El acero Mushet también tenía la propiedad inusual de no necesitar ser templado en líquido. Fue el primer acero 'endurecido por aire': un acero que se endurecía a niveles similares a los de la martensita simplemente enfriándose al rojo vivo en un chorro de aire.
A principios del siglo XX, el ingeniero estadounidense Frederick Winslow Taylor y sus colegas mejoraron aún más las propiedades del acero Mushet. El resultado llegó a ser conocido como acero de alta velocidad (HSS). El HSS sigue siendo útilmente duro hasta 1900 o incluso 500 grados Celsius: de ahí su nombre, ya que puede usarse para cortar otros aceros a velocidades incluso más altas que el acero Mushet. Junto con el hierro y el carbono que son comunes a todos los tipos de acero, la mayoría de las aleaciones HSS continúan incluyendo grandes cantidades de tungsteno, además de cromo, que ha reemplazado al manganeso de la formulación inicial de Mushet.
Hoy en día, las puntas de carburo se utilizan a menudo para las aplicaciones de corte de metales más exigentes, aunque los aceros rápidos siguen siendo el material preferido para la fabricación de hojas de sierra y brocas helicoidales, para las cuales la inserción de puntas de carburo normalmente no sería práctica, especialmente en los diámetros más pequeños y grados de tamaño de diente más fino.
Pero ¿qué pasa con el casting y el formado?
Hasta ahora, he descrito mejoras en los aceros para herramientas que se utilizan para cortar cosas, desde las primeras hojas hasta las modernas herramientas industriales HSS. Sin embargo, la distinción moderna entre acero para herramientas para trabajos en frío y acero para herramientas para trabajos en caliente realmente se aplica a los aceros que se utilizan para fundición y conformado.
Los aceros para trabajo en caliente se utilizan para procesos en los que la temperatura de la herramienta supera los 200 grados Celsius (392 grados Fahrenheit).
Los aceros para herramientas para trabajo en frío se utilizan para procesos en los que la temperatura de la herramienta se mantiene por debajo de los 200 grados Celsius.
La línea divisoria de 200 grados Celsius no es absolutamente estricta y rápida, dado que existen muchas aleaciones diferentes con diferentes propiedades, pero es una línea divisoria convencional a la que se hace referencia ampliamente en la literatura.
En todas las formas de acero para herramientas, las principales causas de falla son la rotura, la deformación (especialmente la deformación permanente o "plástica"), el desgaste de la superficie y el desarrollo de grietas por fatiga superficial causadas por tensiones cíclicas. Las tensiones cíclicas son de origen tanto mecánico como térmico; Las tensiones térmicas son un problema especialmente grave para los aceros para herramientas para trabajo en caliente.
Aceros para herramientas de trabajo en frío
Los aceros para herramientas de trabajo en frío son generalmente aceros con alto contenido de carbono y normalmente contienen entre uno y uno y medio por ciento de carbono en peso. Los tipos más comunes son los grados de baja aleación endurecidos con aceite, los grados de aleación media endurecidos al aire y los grados con alto contenido de carbono y cromo.
Las calidades de baja aleación endurecidas al aceite son las más baratas. Salvo por el hecho de que contienen menos impurezas, por lo demás son muy similares a las formas antiguas de acero para herramientas que se utilizaban antes del acero Mushet.
Los grados de aleación media endurecidos al aire se endurecen con menos distorsión que los aceros que deben templarse. También se pueden endurecer en secciones más gruesas que el acero templado en aceite, hasta 100 milímetros o más.
Los grados con alto contenido de carbono y cromo, que se endurecen mediante enfriamiento con aceite o endurecimiento al aire, según su composición exacta, son los más resistentes al desgaste.
Los aceros para herramientas de trabajo en frío se utilizan normalmente para una multitud de usos industriales cotidianos, que incluyen:
- Fundición a presión de plásticos.
- Matrices para dar forma a paneles metálicos delgados, como los paneles curvos de la carrocería de los automóviles.
- Mandriles y centros de torno
- Rodillos
- Matrices perfiladoras para roscas y moleteados
- Brochas, escariadores, machos y mandriles
- Ruedas y soportes para trabajo de alambre y tubos fríos.
- Cizallas, hojas y otras herramientas de corte, para aplicaciones donde el corte es breve y se generará poco calor.
- Calibre
- Matrices de corte, embutición y perforación
Aceros para herramientas de trabajo en caliente
Al igual que el acero Mushet y los primeros aceros rápidos, los aceros para herramientas para trabajos en caliente han incluido tradicionalmente grandes cantidades de tungsteno como elemento de aleación. Sin embargo, también existen aceros para herramientas para trabajo en caliente que tienen cromo como principal elemento de aleación y otros grados que tienen molibdeno como principal elemento de aleación.
Además del corte y perforación de metales a alta velocidad, los aceros para herramientas para trabajo en caliente se utilizan normalmente para:
- Fundición a presión de metales
- Extrusión
- Forja
- Fabricación de productos de vidrio.
Selección de materiales para fundición
Los procesos de fundición para los que se utiliza acero para herramientas se denominan fundición a presión, en los que la herramienta sirve como matriz, impartiendo una forma detallada o comparativamente precisa al artículo final de manera más fiel y repetible de lo que es posible con la fundición en acero. moldes de arena.
La fundición a presión probablemente se originó con la fundición de letras para tipos móviles en el año 1400 d.C., en matrices abiertas con la forma de cada letra. En el sentido moderno, el metal se inyecta bajo presión en un molde formado por dos herramientas opuestas, que se llena con precisión.
Las herramientas para matrices de plástico se fabrican comúnmente a partir de grados especiales de acero para trabajo en frío conocidos como aceros P, de aluminio o de aleaciones de berilio y cobre. Las ventajas del cobre y el aluminio para este uso incluyen una conductividad térmica mucho mayor y, en consecuencia, un enfriamiento más rápido y uniforme que el acero.
Por otro lado, los moldes de acero duran más (hasta millones de ciclos) y pueden resistir mejor la erosión causada por chorros de plástico que se mueven rápidamente, especialmente si contienen refuerzos compuestos abrasivos como fibra de vidrio. Algunos acabados superficiales también se pueden conseguir de forma fiable sólo con acero.
Selección de materiales para procesos de conformado
Los procesos de conformado de metales para los que se utiliza acero para herramientas de trabajo en frío generalmente no implican un grado muy alto de deformación en masa del metal. En este sentido, son típicos de los procesos de conformado en frío la aplicación de roscas a la superficie de una varilla mediante laminación o el prensado de una lámina plana de metal en las complejas curvas de un panel de carrocería de automóvil.
Conformación en frío de una rosca de tornillo. Gráfico de 'Tosaka', 12 de octubre de 2009, CC BY 3.0 vía Wikimedia Commons.
Los procesos de trabajo en frío a menudo imparten algunas mejoras a la calidad del metal mediante la reorientación de la estructura cristalina del metal y endurecimiento de trabajo, aunque el efecto sobre la estructura cristalina suele limitarse a la superficie y es menos dramático que en el caso de la forja, que analizo en la siguiente sección.
Todos los procesos más drásticos de conformado de metales implican trabajo en caliente (por encima de 200 grados Celsius). Como se señaló, estos incluyen:
- extrusión y
- Forja
Como también hemos mencionado, la fabricación de artículos de vidrio es otra aplicación importante del acero para herramientas para trabajo en caliente.
Extrusión Es el proceso mediante el cual un material calentado y ablandado se empuja a través de una matriz para formar un artículo largo de perfil de sección transversal constante. Los ejemplos más familiares de artículos extruidos son las secciones de plástico y aluminio, que pueden tener formas bastante complicadas. Las secciones de plástico se pueden extruir a través de matrices de acero para herramientas de trabajo en frío, pero las secciones de aluminio deben extruirse a través de matrices de acero para herramientas de trabajo en caliente.
Una categoría especial de extrusión es la extrusión recalcada, que se utiliza para formar cosas como cuerpos de latas de aluminio y tubos de pastillas. Con la extrusión recalcada, se empuja un troquel hacia abajo hasta formar una pieza de metal en blanco que luego fluye hacia atrás alrededor del troquel para formar la lata o el tubo. Es realmente sorprendente que con este método se puedan formar latas y tubos con paredes tan delgadas pero uniformes.
Los tubos sin costura también se fabrican por extrusión. Se calienta un tocho macizo y luego se perfora por la mitad. Luego se coloca sobre un mandril y se le da su tamaño final y espesor de pared mediante extrusión.
Forja Es el proceso mediante el cual una pieza de metal caliente, a menudo al rojo vivo, se golpea hasta obtener su forma final con un martillo industrial, seguido de sólo operaciones menores de mecanizado (corte). Un buen ejemplo de un producto que suele fabricarse mediante forja es una llave inglesa. El martillo puede accionarse mecánicamente en ambas direcciones, o puede levantarse mecánicamente y dejarse caer por gravedad ("forjado por estampación").
Neumáticos de acero forjado para ruedas de trenes. Foto por Rainer Halama, 19 junio 2010, CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons.
La forja es un descendiente industrial directo de técnicas de herrería más antiguas, como mokume-gane y Damasco. Tiene un efecto similar, es decir, el de hacer que las impurezas vítreas y las burbujas de gas se dispersen y cierren, y los grandes cristales o "granos" que normalmente se encuentran dentro del metal fundido, similar a las lentejuelas de una valla de hierro galvanizado. , que son en sí mismos una especie de cristal metálico, que deben romperse y sustituirse por otros más pequeños y, en muchos casos, también, deformarse en la dirección de las curvas exteriores de la forma final.
Como era de esperar, una estructura de grano fino es superior a una gruesa; y una estructura de grano fino en la que los granos también siguen la forma del producto mejora aún más las propiedades mecánicas del artículo final, haciendo mucho menos probable que el artículo se agriete en una esquina bajo cargas pesadas que de otro modo.
Hay una muy buena ilustración de cristales que siguen formas en el sitio web de dropforging.net. La similitud esencial con los productos de los más hábiles herreros de épocas anteriores es evidente, salvo que en este caso el resultado es un artículo industrial y no una espada.
Muchos de los artículos mecánicos más "serios", aquellos que soportan cargas pesadas y que tendrían consecuencias graves o al menos muy molestas si se rompieran, están forjados. Además de las llaves, que podrían romperse en los puntos de máxima tensión, cerca de la tuerca, si se fabricaran por cualquier otro método, los artículos forjados incluyen los cigüeñales de los motores y las bielas que unen los pistones al cigüeñal, aunque los propios pistones suelen estar fundidos. (Sin embargo, los pistones forjados se utilizan en motores de carreras y se están volviendo cada vez más populares en el uso general).
Hay dos tipos principales de forja: forja abierta y forja cerrada. La forja abierta golpea el metal hasta darle una forma rugosa y mejora su estructura interior general, pero por lo demás no imparte ninguna forma o patrón de veta particularmente definido. La forja con matriz cerrada produce formas y patrones de vetas más definidos.
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